Чистота веществ

Элементное вещество или соединение содержит основной (главный) компонент и примеси (посторонние вещества). Если примеси содержатся в очень малых количествах, то их называют «следами». Термины отвечают молярным долям в %: «следы» 10^-3 ÷ 10^-1, «микроследы» - 10^-6 ÷ 10^-3, «ультрамикроследы» - 10^-9 ÷ 10^-6, субмикроследы - менее 10^-9. Вещество называется высокочистым при содержании примесей не более 10^-4 ÷ 10^-3 % и особо чистым (ультрачистым) при содержании примесей ниже 10^-7 %.

Химические методы качественного анализа

 Химический анализ вещества проводят в основном двумя способами: «сухим путем» - анализируют вещество, не растворяя его, и «мокрым путем» - сначала исследуемое вещество растворяют, а затем определяют его состав.

Для анализа сухим путем пользуются следующими методами:

1. Испытывают образец на окрашивание пламени. Если внести изучаемое вещество на платиновой или нихромовой проволоке в бесцветное пламя горелки, то происходит окрашивание пламени в определенный цвет: ярко-желтый (натрий), фиолетовый (калий), кирпично-красный (кальций), карминово-красный (стронций), желто-зеленый (медь или бор), бледно-голубой (свинец или мышьяк).

2. Получают окрашенные стекла (перлы), сплавляя небольшие количества анализируемого вещества с бурой (Na₂B₄O₇   ∙  10H₂O) или дигидрофосфатом аммония (NH₄H₂PO₄ ∙ 4H2O). Соли кобальта – синие перлы, соли хрома – зеленые.

3. Накаливают анализируемое вещество на угле паяльной трубкой, при этом ряд веществ образует окрашенные налеты. Свинец дает желтый налет, мышьяк – белый.

Анализируя вещество мокрым путем, предварительно растворяют его в воде, кислоте или растворе щелочи. Если оно не растворяется в этих растворителях, то его сплавляют с твердой щелочью или смесью карбоната натрия и карбоната калия, и полученный сплав растворяют в воде или кислоте.

Для проведения аналитических реакций в исследуемый раствор вводят те или иные реактивы, образующие с открываемым ионом характерный продукт взаимодействия. Такие реакции называются характерными реакциями данного иона или реакциями открытия (обнаружения) иона.

В качественном анализе используют реакции, в результате которых получают характерные осадки, окрашенные растворимые соединения, газообразные вещества. Например:

AgNO₃  +  NаCl  =  AgCl↓(белый творожистый осадок) + NаNO₃

NH4Cl  +  KOH  =  NH3↑(запах) +  H2O  +  KCl  

       

MgCl₂  +  2NaOH  =  Mg(OH)₂↓(белый осадок) +  2NaCl

Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители. Групповыми осадителями для ионов Аg⁺, Рb²⁺, Нg²⁺ служит NаСl; для ионов Са²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺ - (NН₄)₂СО₃, для ионов А1³⁺, Сг³⁺, Fе²⁺, Fе³⁺, Мn²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ и др. – (NH₄)₂S.

Если присутствует несколько катионов, то проводят дробный анализ, при котором осаждаются все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживаются оставшиеся катионы тем или иным методом, либо проводят ступенчатое добавление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением ПР, а затем соединения с более высоким значением ПР.

Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации.

Табл. 1.10.1 Качественные реакции на некоторые катионы

Катион	Воздействие или реактив	Наблюдаемая реакция
Li+	Пламя	Карминово-красное окрашивание
Na+	Пламя	Желтое окрашивание
К+	Пламя	Фиолетовое окрашивание
Са2+	Пламя	Кирпично-красное окрашивание
Sr2+	Пламя	Карминово-красное окрашивание
Ва2+	Пламя  SО42-	Желто-зеленое окрашивание Выпадение белого осадка, не раствори­мого в кислотах: Ва2+ + SО42-  BaSО4
Сu2+	Вода	Гидратированные ионы Сu2+ имеют голубую окраску
РЬ2+	S2-	Выпадение черного осадка: Pb2+ + S2-  PbS
Аg+	Cl-	Выпадение белого осадка; не раствори­мого в HNO3, но растворимого в конц.NH3 ∙ Н20: Аg+ +Cl- AgCl
Fe2+	Гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль), K3[Fe(CN)6]	Выпадение синего осадка: К++ Fe2+ + [Fe(CN)6]3-  KFe[Fe(CN)6]4
Fe3+	1)  Гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль) K4[Fe(CN)6]   2)   Роданид-ион SCN-	Выпадение синего осадка: К+ + Fe3+ + [Fe(CN)6]4-   KFe[Fe(CN)6] Появление ярко-красного окрашивания за счет образования комплексных ионов Fe(SCN)2+, Fe(SCN)+2
Al3+	Щелочь (амфотерные свойства гидроксида)	Выпадение осадка гидроксида алюминия при приливании первых порций щелочи и его растворение при дальнейшем приливании
NH4+	Щелочь, нагрев	Запах аммиака: NH4+ + ОН-  NH3  + Н2О
Н+	Индикаторы: лакмус, метиловый оранжевый	Красное окрашивание

Анионы обычно классифицируют по растворимости солей, либо по окислительно-восстановительным свойствам. Так многие анионы (SО₄^2-,SО₃^2-, СО₃^2-, SiO₃^2-, F^-, РО₄^3-, СrO₄^2- и др.) имеют групповой реагент ВаС1₂ в нейтральной или слабокислой среде, так как соли бария и этих анионов мало растворимы в воде. Групповым реагентом в растворе НNО₃ на ионы Сl^-, Вг^-, I^-, SCN^-, CN^-, S^2-, ClO^-, [Fе(СN)₆]^4- и др. служит АgNO3.

Анионы можно обнаружить дробным анализом. Для этого групповой реагент ступенчато приливают к анализируемому раствору, первыми выпадают в осадок соединения с наименьшими значениями ПР. Отдельные ионы могут быть обнаружены с помощью тех или иных специфических реакций или реагентов. Например, при воздействии на анионы СО₃^2- кислотой протекает реакция с выделением пузырьков диоксида углерода:

СО₃^2- + 2Н⁺ ↔ Н₂СО₃ ↔ Н₂О + СО₂

Как и для катионов, имеются реагенты на те или иные анионы. Таким образом, химическая идентификация вещества базируется в основном на реакциях осаждения, комплексообразования, окисления и восстановления, нейтрализации, при которых происходит выпадение белого или окрашенного осадка, изменение цвета раствора или выделение газообразных веществ.

Табл. 1.10.2 Качественные реакции на некоторые анионы

Анион	Реактив	Наблюдаемая реакция
SО42-	Ва2+	Выпадение белого осадка, нерастворимого в кислотах: Ва2+ + SО42-  BaSО4
NО3-	1) добавить конц. H2SO4 и Сu, нагреть 2) смесь H2SО4 +FeSO4	Образование голубого раствора, содержащего ионы Сu2+, выделение газа бурого цвета (NO2). Возникновение окраски сульфата нитрозо-железа (II) [Fe(H2О)5NO]2+. Окраска от фи­олетовой до коричневой (реакция «бурого кольца»)
РО43-	ионы Ag+	Выпадение светло-желтого осадка в нейтральной среде: 3Аg+ + РО43-  Аg3РО4
СrO42-	ионы Ва2+	Выпадение желтого осадка, не раствори­мого в уксусной кислоте, но растворимого в HCl: Ва2+ + СrO42-  BaCr04
S2-  ,	ионы РЬ2+	Выпадение черного осадка: Pb2+ + S2-  PbS
СО32-	ионы Са2+	Выпадение белого осадка, растворимого в кислотах: Са2+ + С032- = СаСОз
CO2	известковая вода Са(ОН)2	Са(ОН)2 + СО2   СаСО3  + Н2О, СаСО3 + СО2 + Н2О  Са(НСО3)2  Выпадение белого осадка и его растворение при пропускании СО2
SO32-	ионы Н+	Появление характерного запаха SО2: 2Н+ + SO32-  Н2О + SО2
F-	ионы Са2+	Выпадение-белого осадка: Са2+ + 2F-   CaF2
Cl-	ионы Аg+	Выпадение белого осадка, не растворимо­го в HNО3, но растворимого в конц. NH3 • Н2О: Аg+ +Cl-  AgCl   AgCI + 2(NH3• Н2O)   [Ag(NH3)2]+ + CI- + 2Н2О
Br-	ионы Аg+	Выпадение светло-желтого осадка, не растворимого в HN03: Ag+ + Br- = AgBr   (осадок темнеет на свету)
I-	ионы Аg+	Выпадение желтого осадка, не раствори­мого в HNO3 и NH3 (конц.): Аg+ + I-   АgI  (осадок темнеет на свету)
ОН- (щелочная среда)	индикаторы: лакмус, фенолфталеин	Cинее окрашивание Малиновое окрашивание

Табл. 1.10.2 Качественные реакции на некоторые органические соединения

Соединение	Реактив	Наблюдаемая реакция
Алканы CnH2n+2	Горение	Низшие алканы горят голубоватым пламенем.
Алкены CnH2n, алкины CnH2n-2, алкадиены CnH2n-2 (кратные связи)	1)   Бромная вода 2)   Р-р КМnO4	Обесцвечивание раствора.  Обесцвечивание раствора, выпадение бурого осадка МnO2.
Ацетилен C2H2	Аммиачный раствор Ag2O (АgNO3+NH3)	Осадок ацетиленида серебра желтого цвета
Бензол C6H6	1) Нитрующая смесь HNO3+Н2SO4 2) Горение	Тяжелая жидкость светло-желтого цвета с запахом горького миндаля. Горит коптящим пламенем.
Толуол C6H5-CH3	Р-р КМnO4	Обесцвечивание раствора
Фенол C6H5-OH	1)   Бромная вода 2)   Р-р Na2СО3 3)   FeCl3	Обесцвечивание, выпадение белого осадка трибромфенола. Выделение углекислого газа.  Фиолетовое окрашивание.
Спирты (группа –ОН)	1)    Na  2)    Горение 3)    Черная горячая прокаленная медная проволока	Выделение водорода. Горят светлым голубоватым пламенем. Восстановление красной окраски у прокаленной горячей медной проволоки.
Многоатомные спирты (две и более группы –ОН), глюкоза C6H12O6	СuSO4 + NaOH	Синее окрашивание с образованием глицератов меди.
Амины (группа –NH2)	1)   Лакмус 2)   HHal	В водном растворе — синее окрашивание. Образуют соли с галогеноводородами — после выпаривания твердый осадок.
Анилин (C6H5- NH2)	1)   Бромная вода 2)   HHal 3) Р-р хлорной извести СаОСl2	Обесцвечивание бромной воды, выпадение осадка триброманилина.  После упаривания твердый осадок — соль гидрогалогенида анилина. Окрашивание раствора в фиолетовый цвет
Альдегиды (группа –СОН)	1)   Аммиачный раствор Ag2O(АgNO3+NH3) 2)   СuSO4 + NaOH	Реакция серебряного зеркала. Выпадение красного осадка Cu2O
Карбоновые кислоты (группа –СООН)	Лакмус	Красное окрашивание. Муравьиная — реакция серебряного зеркала. Олеиновая — обесцвечивание бромной воды и раствора КМnO4.
Простые эфиры (оксигруппа –О-), сложные эфиры (сложноэфирная группа –СОО-)	Гидролиз в присутствии NaOH при нагревании	Специфический запах.
Крахмал (С6Н10О5)n	Раствор I2 в KI или спиртовой раствор I2	Синее окрашивание.
Белки (-NH-CHR-CO-)n	Конц. HNO3	Желтое окрашивание (ксантопротеиновая реакция).

Характерные реакции можно проводить пробирочным, капельным и микрокристаллическим методами.

Пробирочный метод – к пробе анализируемого раствора в пробирке прибавляют некоторое количество реактива и наблюдают результат взаимодействия с ним. При выпадении осадка отмечают его внешний вид (аморфный или кристаллический). Если осадок кристаллический, то используют микрокристаллический метод.

Микрокристаллический метод – на предметном стекле каплю анализируемого раствора смешивают с каплей реактива и рассматривают под микроскопом образовавшимся характерной формы кристаллы.

Капельный метод (профессор Н.А. Тананаев) – капельные реакции выполняют на полосках фильтровальной бумаги или на капельных фарфоровых  пластинках. О наличии в растворе тех или иных ионов судят по цвету полученного пятна, расположению студельных окрашенных колец на фильтровальной бумаге, характерному окрашению раствора или осадка, полученного на капельной пластинке.

В зависимости от количества веществ, применяемых для анализа, различают макроанализ, полумикроанализ, микроанализ, ультрамикроанализ.

Макроанализ – берут не менее 500 мг исследуемого вещества или от 20 до 100 мл раствора, содержащего не менее 100 мг исследуемого вещества; это позволяет определить от 1 до 5 мг ионов, присутствующих в растворе.

Микроанализ – необходима специальная аппаратура, исследуют в 100 раз меньший объем раствора или в 100 раз меньшую навеску исследуемого вещества.

Ультрамикроанализ – берут 0,001 – 0,000000001 мг вещества и объем растворов от 0,001 до 0,000001 мл.

Полумикроанализ – для исследования берут от 10 до 100 мг вещества или 5 – 10 мл раствора.

Полумикрометод обладает рядом преимуществ: работа с малыми количествами исследуемого вещества дает возможность сократить продолжительность анализа и расход реактивов. Это экономичный метод.